1 前言
在路面管理系統(tǒng)中，使用性能的預(yù)測(cè)是分析過(guò)程中一個(gè)極其重要的方面。路面管理系統(tǒng)所使用的使用性能預(yù)測(cè)模型可分為兩大類(lèi)，確定性預(yù)測(cè)模型和不確定性(概率型)預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)［1］提出了水泥混凝土路面中路面狀況指數(shù)PCI在不同交通指數(shù)和結(jié)構(gòu)指數(shù)下的確定型和概率型模型，在文獻(xiàn)［1］中，對(duì)于實(shí)測(cè)的路面使用性能數(shù)據(jù)，按一定交通狀況和路面結(jié)構(gòu)特征的劃分，通過(guò)回歸分析，得到不同使用性能參數(shù)的預(yù)測(cè)方程和轉(zhuǎn)移概率分布。?
在這一分析過(guò)程中，默認(rèn)了3個(gè)基本的假設(shè)；?
(1)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)代表了路面使用性能的真實(shí)分布；?
(2)交通指數(shù)的劃分是確定可靠的；?
(3)結(jié)構(gòu)指數(shù)的劃分是確定可靠的。?
事實(shí)上，要保證這3個(gè)假設(shè)成立是困難的，一般數(shù)據(jù)采集都是采用取樣方式得到，樣本數(shù)據(jù)和總體實(shí)際數(shù)據(jù)之間必然存在一定的誤差；在交通指數(shù)的確定過(guò)程中，實(shí)測(cè)交通量數(shù)據(jù)及荷載換算系數(shù)都會(huì)和實(shí)際的狀況有一定的差別，路面結(jié)構(gòu)的指數(shù)更是要受到施工條件、材料情況、養(yǎng)護(hù)水平等諸多因素的影響，而且，交通指數(shù)和結(jié)構(gòu)指數(shù)本身并非一種非此即彼的布爾關(guān)系，簡(jiǎn)單的劃分是不足以代表這種關(guān)系的。這樣將導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果存在某種程度的不確定性。在運(yùn)用預(yù)測(cè)方程分析路網(wǎng)使用性能變化時(shí)有必要考慮這種不確定因素的存在。?
國(guó)內(nèi)對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)和瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠性分析作過(guò)研究，但在路面管理系統(tǒng)中目前尚未涉及。國(guó)外對(duì)不確定性的分析作過(guò)較多研究，并將一些研究成果引入路面管理系統(tǒng)中，文獻(xiàn)［2］［3］等分析了考慮不確定性的網(wǎng)級(jí)決策過(guò)程，文獻(xiàn)［4］對(duì)數(shù)據(jù)采集方法的誤差分析作了研究。?
下面以文獻(xiàn)［1］的分析為基礎(chǔ)，以PCI為例分析在預(yù)測(cè)過(guò)程中怎樣考慮參數(shù)不確定性。?
2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分布分析??
路況數(shù)據(jù)的不確定性來(lái)源為：?
(1)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中人為的視覺(jué)誤差或操作誤差；?
(2)數(shù)據(jù)樣本和數(shù)據(jù)總體間的分布誤差。?
分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中人為視覺(jué)誤差和操作誤差，是一個(gè)過(guò)程復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題，常用的分析方法有：?
(1)回歸分析；?
(2)因子分析。?
對(duì)數(shù)據(jù)樣本和數(shù)據(jù)總體間的分布誤差，一般則用分布間的誤差離散來(lái)解決。?
2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集誤差的回歸分析?
回歸分析方法的基本原理是：對(duì)分析對(duì)象，設(shè)法尋找一個(gè)相對(duì)參照系統(tǒng)，利用相對(duì)參照系統(tǒng)，求出分析對(duì)象的真值，再利用實(shí)測(cè)的路況數(shù)據(jù)，建立實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)間的關(guān)系。?
在路面數(shù)據(jù)的誤差分析中，一般用到三個(gè)基本的假設(shè)：?
(1)回歸分析模型是一次線(xiàn)性的；?
(2)回歸參數(shù)只與測(cè)試對(duì)象和測(cè)試方法有關(guān)，與測(cè)試的時(shí)空特征無(wú)關(guān)；
? (3)系統(tǒng)的隨機(jī)偏差服從正態(tài)分布。?
在回歸分析中，要找到一個(gè)相對(duì)真實(shí)的基準(zhǔn)參考方法和參考系，然后利用參考系測(cè)出狀況真值，利用實(shí)測(cè)結(jié)果和真值結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征，求出上面的方程。?
分析實(shí)測(cè)值和真實(shí)值的關(guān)系后，利用實(shí)測(cè)結(jié)果的均值和回歸方程，可求出路面真實(shí)結(jié)構(gòu)的均值，參照正態(tài)分布的假設(shè)，可知D服從由此可知某一實(shí)測(cè)值在分布區(qū)間的分布概率PO：
PO=p(PCIO=i｜PCIC) (3)
式中：PO——對(duì)具體分析路段PCI從實(shí)測(cè)值到真實(shí)值的分布概率；
PCIO——PCI真實(shí)狀態(tài)的分布；?
PCIC——實(shí)測(cè)路段PCI值。?
導(dǎo)出單個(gè)路段的PCI值之后，便可得到指定路網(wǎng)PCI分布Pr，從單個(gè)路段分布到路網(wǎng)分布的過(guò)程中，路段長(zhǎng)度作為相應(yīng)權(quán)數(shù)。?
2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集誤差因子分析
因子分析是另一種分析數(shù)據(jù)誤差的方式，在因子分析中，對(duì)數(shù)據(jù)的分布特征假設(shè)與回歸分析一樣。其相應(yīng)的顯示關(guān)系為：?
D=e＋D*×β+ε
(n*m) (n*1) (1*m) (n*1) (1*m) (n*m) (5)?
式中，D——路段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的(n×m)矩陣；
l——單位向量矩陣；?
α——加法因子的(1×m)矩陣，與測(cè)試方法有關(guān)；?
D*—— 未知真值的(n×1)矩陣；?
β——乘法因子的(1×m)矩陣，與測(cè)試方法有關(guān)；?
ε—— 隨機(jī)偏差的(n×m)矩陣；?
m——測(cè)試方法類(lèi)型；?
n—— 測(cè)試對(duì)象的不同路段。?
因子分析的前提是對(duì)同一個(gè)測(cè)試目標(biāo)的不同路段，運(yùn)用幾種不同測(cè)試方法，測(cè)試出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣D，通過(guò)對(duì)上面顯示方程的變換和計(jì)算，得到相應(yīng)的加法因子向量α和乘法因子向量β。
研究表明，從總體而言，因子分析比回歸分析要合理一些，因子分析能使實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到最大程度的利用，分析結(jié)果的有效性和可靠性都更好一些。
在因子分析中，并不要試圖找出一個(gè)被認(rèn)為能真實(shí)反映路面特征的參考系，這使得分析方法的理論更為嚴(yán)密，分析手段也更為簡(jiǎn)便，但因子分析的基本前提是多種測(cè)試方法，在我國(guó)，絕大部分的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(路面管理系統(tǒng)中)收集方法是單一的，盡管路面測(cè)試的新方法正在研究之中，都沒(méi)有達(dá)到實(shí)用的程度。因此，在目前的階段，用因子分析方法來(lái)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差還不現(xiàn)實(shí)，隨著測(cè)試手段的增加，用因子分析會(huì)得到比回歸分析更可靠的分析結(jié)果。?
2.3 數(shù)據(jù)樣本總體間的誤差離散
樣本數(shù)據(jù)和總體數(shù)據(jù)間必然會(huì)有分布的誤差，誤差的大小與樣本的規(guī)模有關(guān)。在一般的分析過(guò)程中，這種分布的誤差常常被認(rèn)為是正態(tài)的。文獻(xiàn)［3］對(duì)這種正態(tài)的誤差分布作了一個(gè)基本的假設(shè)：? 路面總體數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)間的誤差服從正態(tài)分布N(O，δ20)。
這個(gè)假設(shè)包括兩個(gè)結(jié)論：?
(1)認(rèn)為樣本數(shù)據(jù)的均值能代表總體數(shù)據(jù)的均值；
(2)如果樣本數(shù)據(jù)的方差為δ20?，那么總體數(shù)據(jù)的方差為
δ20?+δ21 。
已知PCI分布Pr:P(PCIO=i)和分布誤差N(O,δ21 )，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的一般關(guān)系，便可導(dǎo)出PP：P(PCI′=i｜PCIo=i)。?
2.4 本研究中的分析過(guò)程
本研究將誤差分析分為兩個(gè)層次，第一個(gè)層次是分析具體的路段中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)間的關(guān)系；第二個(gè)層次是分析以樣本數(shù)據(jù)代表總體數(shù)據(jù)所帶來(lái)的誤差傳遞。對(duì)第一層次，采用參數(shù)回歸分析的方法，對(duì)第二層次，采用誤差分布離散的方法。?
我國(guó)實(shí)測(cè)PCI的方式還比較有限，基本是人工目測(cè)，為了分析人工目測(cè)方法的誤差，需要找到一個(gè)相對(duì)基準(zhǔn)面，這個(gè)相對(duì)基準(zhǔn)面也只好采用人工目測(cè)的方法，兩者間差別為：前者是一般操作過(guò)程中的正常量測(cè)，而后者是專(zhuān)用于標(biāo)定過(guò)程的精確量測(cè)。在一般的分析中，這種比較方式是可以接受的。
通過(guò)實(shí)際標(biāo)定和回歸分析，可求出PO：P(PCIO=i｜PCIc)。?
在具體分析對(duì)象中，以路段長(zhǎng)度為權(quán)數(shù)，可導(dǎo)出Pr:P(PCIO=i)。?
針對(duì)一定的抽樣規(guī)模，假定分布誤差的方差為δ21 ，可求出PP。
3 交通指數(shù)的分布分析??
求解Pt=P (TRA′=j｜TRAO=J)可從兩個(gè)途徑分析：?
(1)模糊評(píng)價(jià)；?
(2)參數(shù)可靠性。?
3.1 模糊評(píng)價(jià)?
將模糊數(shù)學(xué)方法引入路面管理系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外作過(guò)一定的研究，文獻(xiàn)［5］建立了不同交通量水平對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬函數(shù)，從文獻(xiàn)［5］可知：?
Pt=Si/Sj (6)?
式中：Si——評(píng)價(jià)結(jié)論為j的區(qū)域面積中隸屬于i結(jié)論的面積；
Sj——評(píng)價(jià)結(jié)論為j的區(qū)域面積。?
Si=∫μi
dAADT
Sj=Aj-Aj′
式中：Aj——評(píng)價(jià)結(jié)論為j和AADT上限；?
Aj′——評(píng)價(jià)結(jié)論為j的AADT下限。?
借助于模糊評(píng)價(jià)的隸屬函數(shù)，也可以分析水泥混凝土路面交通指數(shù)的不確定性。?
3.2 參數(shù)可靠性?
沿引剛性路面結(jié)構(gòu)可靠度［6］的研究結(jié)果，已知軸載組成的變異Cv，假設(shè)路面軸載服從正態(tài)分布N(μ，δ)，其分布函數(shù)為：?
由Cvj=δj/μj，給定Cvj和μj，便可知δj，因此，對(duì)每一交通指數(shù)，便可知其分布N(μj，δj)，由分布特征便可知：?
Pt=P(TRA＇=J|TRAo=J
4 結(jié)構(gòu)指數(shù)的分布分析
結(jié)構(gòu)指數(shù)的指標(biāo)是不考慮溫度應(yīng)力的應(yīng)力水平值R。與交通指數(shù)不確定分析一樣，求解Ps=P(STR′=k｜STRo=k)也有兩種途徑，在此主要分析第二種方法。?
l=1.419h[EC(1-μ21)/6Et(1-μ20)]1/3
Et=f(E1,h1,E0)
式中：σp——不考慮接縫傳荷能力的計(jì)算荷載應(yīng)力；?
σS——設(shè)計(jì)強(qiáng)度；?
P——軸載重(kN)，取后軸10t，P=98kN；?
h——面板厚度(cm)；?
l——板的相對(duì)半徑(cm)；?
Ec——混凝土抗折彈性模量(MPa)；?
Et——基層頂面的當(dāng)量回彈模量(MPa)；?
E1——基層材料的回彈模量(MPa)；?
h1——基層厚度(cm)；?
Eo——土基的回彈模量(MPa)。?
按荷載作用于橫邊中部計(jì)算：?
A=0.84252， λ=0.70164， n=0.84824， μ1=0.15， μo=0.30?
故有：?
R=0.715P0.848 (Ec/Et)0.234/σs
h1.3??
R=34.90(Ec/Et)0.234/σs h1.3??
令 a=34.90，b=0.234，c=1，d=1.3，有：?
R=a(Ec/Et)b/σcshd?
對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)：?
LnR=Lna+bLnEc-bLnEt-cLn6s-dLnh?
參照水泥混凝土路面可靠度分析結(jié)果，Ec，Et，6s，h的分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，由此可知，Ln Ec，LnEt，Ln6s，Lnh服從正態(tài)分布，因上式是回歸分析結(jié)果，分析數(shù)據(jù)和分析結(jié)果間存在隨機(jī)偏差。在本分析中，不考慮此隨機(jī)偏差的影響，那么可知L?n
R服從正態(tài)分布，利用 Ec，Et，6s， h的分布參數(shù)便可導(dǎo)出R分布的數(shù)值特征。
5 考慮數(shù)據(jù)和參數(shù)不確定性的預(yù)測(cè)過(guò)程??
不考慮參數(shù)和數(shù)據(jù)不確定性的PCI預(yù)測(cè)過(guò)程為：
轉(zhuǎn)移矩陣M-PCIjk 考慮參數(shù)和數(shù)據(jù)不確定性的預(yù)測(cè)過(guò)程為：
轉(zhuǎn)移矩陣M-PCIjk?
實(shí)測(cè)分布和確定分布的關(guān)系為：?
Pp=P(PCI′=i｜PCIo=i)?
Pt=P(TRA′=j｜TRAo=j)?
Ps=P(STR′=k｜STRo=k)?
設(shè)t年P(guān)CI的實(shí)測(cè)分布為
=［PCIO1，PCI02，PCIO3，PCIO4，PCIO5］，在交通指數(shù)j和結(jié)構(gòu)指數(shù)k的條件下，其轉(zhuǎn)移概率矩陣M-PCIjk為：
由PCIOTt
和PP=P(PCI′=i｜PCIo=i)，有：
PCI′t=［PCI′1，PCI′2，PCI′3，PCI′4，PCI′5，］
由交通指數(shù)j和Pt=P(TRA′=j｜TRAo=j)，有：?
TRA′=［TRA′1，TRA′2，TRA′3，TRA′4］?
由結(jié)構(gòu)指數(shù)k和PS=P(STR′=k｜STRo=k)，有：?
STR′=［STR′1，STR′2，STR′3］?
故可求：??
6 算例??
對(duì)某路段，設(shè)其單向日標(biāo)準(zhǔn)軸載為2100，荷載應(yīng)力水平為0.50，路段由3個(gè)子路段組成，各子路段使用性能參數(shù)PCI在第T年的實(shí)測(cè)結(jié)果及路段長(zhǎng)度為?
子路段一：11 =2km PCIc1=90?
子路段二：12 =3km PCIc2=80?
子路段三：13 =1km PCIc3=65?
設(shè)PCI量測(cè)的誤差分布方差δ20 =22,誤差分布服從N(PCIc，δ20)。
設(shè)Po=P(PCIO=i｜PCIc)，可求：??
路段1：PCIc=90，P01=(0.99，0.01，0.00，0.00，0.00)?
路段2：PCIc=80，P02=(0.01，0.99，0.00，0.00，0.00)?
路段3：PCIc=65，P03=(0.00，0.00，1.00，0.00，0.00)?
設(shè)路段是總體全樣調(diào)查，不存在樣本誤差，，有：
PCI’t=(0.34，0.50，0.16，0.00，0.00)?
設(shè)軸載組成的變異Cv=0.2，那么交通軸載服從N(2100，4202)有：?
Pt=P(TRA′=j｜TRAo=2100)=(0.59,0.41,0.00,0.00)?
設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)R的變異Cv=0.1，R服從N(Ln(0.51)，(1n(0.051))2)有：
?Ps=P(STR′=k｜STRo=0.5)=(0.46，0.54，0)?
已知其使用性能狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣M-PCIjk(j：交通，k：結(jié)構(gòu))。?
